Vorlesung: Festkörperchemie

Einleitung (Gliederung, Ziele, Literatur)

Ziel der Vorlesung

Anorganische Feststoffe werden (nicht nur in neuere Zeit, d.h. auch vor der 'Erfindung' der Materialwissenschaften) vielfach verwendet. Das Verstehen der hierfür jeweils relevanten physikalischen und chemischen Eigenschaften (Kap. 3) aus den realen/idealen atomaren Strukturen der Festkörper (Kap. 1) ist wesentliches Ziel der Vorlesung. Von uns ChemikerInnen wird darüberhinaus besonders auch die Kenntnis der gezielten Synthesen dieser Stoffe (in der gewünschten Form/Morphologie) bzw. deren Optimierung erwartet (Kap. 2). (Bzgl. der strukturellen Charakterisierung von Festkörpern siehe die Methoden-Vorlesung bzw. die Methodenkurse, die für die Präparation wichtigen Methoden der thermischen Charakterisierung sind dagegen hier enthalten. Auf 'Nicht-Bulk'-Eigenschaften kann aus Zeitgründen leider nicht eingegangen werden. Diese werden jedoch im Kontext der Anwendungen in den Vorlesungen des Studiengangs 'Sustainable Materials' ausführlich behandelt.

Gliederung

Die Abbildung 0.1 zeigt schematisch die Bedeutung und die Themen der (anorganischen) Festkörperchemie und ist zugleich der 'Leitfaden' für die Gliederung der Vorlesungsinhalte in drei große Kapitel.

Abb. 0.1: Zentrale Bedeutung von atomaren und elektronischen Strukturen (auch Realbau) in der Festkörper/Material-Chemie ‣ SVG

Eine zentrale Rolle zwischen der Strukturchemie (Kap. 1), der präparativen Festkörperchemie (Kap. 2) und den Anwendungen als Materialien (Kap. 3) spielt die (atomare und elektronische) Struktur (idealer und realer) Festkörper (d.h. Kap. 1.1.). Wie in den Zielen bereits dargelegt, ist die Aufgabe dieses Teilgebietes der anorganischen Chemie die Synthese von Materialien mit bestimmten Eigenschaften. Ein Verständnis und damit auch die Optimierung dieser Eigenschaften setzt voraus, dass der Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaft möglichst umfassend erforscht, charakterisiert und (ggf. auch unter Hinzuziehen theoretischer Methoden) verstanden ist.

Tabelle 0.1. zeigt einige Beispiele für anorganische Festkörper sowie deren Anwendungen und Anwendungsgebiete.

Tab. 0.1. Beispiele für die Anwendung anorganischer Festkörper.
Material	Substanz	Anwendung(sgebiet)
'Mechanische' Werkstoffe
Hartstoffe	BN, Diamant, TiN, WC	Maschinenbau usw.
'Elektrische' Materialien
metallische Leiter	Cu, Ag, Lote	Elektrotechnik
niederdimensionale metallische Leiter	K₂[Pt(CN)₄] (KCP), (SN)_x	Elektrotechnik
Halbleiter	Si, Ge, GaAs	Elektronik: Dioden,Transistoren,ICs E-Technik: FET, MOS; Sensoren
	Si, CuInSe₂	Solarzellen (Fotovoltaik)
	GaAs, GaP, ZnTe, GaN	LEDs (Optoelektronik); HL-Laser, Fotodetektoren (Fotonik)
	Li_0.05Ni_0.95O	Thermistoren
	Se	Photoleiter
	SnO₂	O₂-Sensoren
Isolatoren	klassische Keramiken	E-Technik
Thermoelektrika	Bi₂Te₃, PbTe	E-Technik: Thermoelektrischer Kühler
Supraleiter	Nb₃Sn, YBa₂Cu₃O₇	E-Technik: Hochfeldmagnete, widerstandsloser Stromtransport
Ionenleiter	MnO₂, CF	E-Technik: Kathodenmaterial in Batterien
	ß-Alumina, Li₃N	E-Technik: Langzeitbatterien, Akkus
	ZrO₂	Sensoren für Gase und Ionen
Dielektrika
Dielektrika	BaTiO₃	Kondensatoren
Piezoelektrika	PZT ( Pb(Ti_xZr_1-x)O₃	Mikrophone, Lautsprecher (Elektroakustik
Piezoelektrika	Li₂SO₄ . H₂O, Quarz, LiNbO₃, KH₂PO₄ (KDP)	nichtlineare Optik: Frequenzmischer u. -verdoppler, Lichtmodulation
Pyroelektrika	Triglycerinsulfat (TGS), ZnO	IR-Detektoren
Ferroelektrika	BaTiO₃, PbTiO₃	Kondensatoren, Sensoren, PTC-Thermistoren, dynamische RAMs
	Quarz, ADP	Frequenzstabilisatoren
	KNaC₄H₄O₆ ^. 4 H₂O (KNT)	Ultraschallgeneratoren
	KH₂PO₄ (KDP), LiNbO₃	holographische Speicher
Magnetische Materialien
Ferro- und Ferrimagnete	'NdFeB', BaFe₁₂O₁₉ (BaM)	Dauermagnete
	Fe, CrO₂	Ton- und Videotapes
	Ferrite, ZnFe₂O₄	Motoren, Transformatoren
	Y₃Fe₅O₁₂ (YIG),	Informationsspeicher, Mag. Bubble Mem.
	YIG, FeBO₃, Ferrite	Magnetooptik: Lichtmodulation; Mikrowellentechnik: Emitter, Frequenzstabilisatoren
Optische Materialien
Farbigkeit	CdS, CdSe, TiO₂, Fe-Oxide	Pigmente
Fotolumineszenz	Pb_1-xSn_xTe	Szintillationszähler, IR-Detektoren
Fotolumineszenz	ZnS(Ag), CdS, Y₂O₂S (Eu)	Kathodenstrahlröhren
induzierte Emission	Rubin, YAG, GaAs	Laser
'Chemische' Werkstoffe
heterogene Katalysatoren	Zeolithe,	Chem. Technik
Korrosionsfeste Materialien		Chem. Technik, Maschinenbau
Zement usw.	Alit, Belit	Bauwesen

In Tabelle 0.2. sind einige Aspekte gegenübergestellt, die die Konzepte, Synthesen und Anwendungen typischer Moleküle von Festkörper- und Materialien unterscheidet.

Tab. 0.2.: Gegenüberstellung Molekül- und Festkörperchemie.
	Molekülchemie	Festkörperchemie
Stöchiometrie	Daltonide (definierte Stöchiometrie, Begriff 'Molekül')	Berthollide (Nichtstöchiometrie, Baufehler, Mischkristalle, Substitution usw. häufig)
Bindung	nur kovalent: gerichtete Bindungen, geringe Reichweite, lokalisierte Elektronen, einfache Konzepte (MO) und Strukturvorhersage; kleine CN	kovalent -- ionisch -- metallisch möglich: ungerichtete Bindungen, lange Reichweite, hohe Koordinationszahlen, delokalisierte Elektronen (Bandstruktur) komplizierte Strukturvorhersage; große CN
'Isomerie'	rein topologisch	Polymorphie, Phasentransformationen
Synthesen	'endotherme' Chemie: gezielter Auf- und Abbau, schnelle Reaktionen, Kinetik bestimmend	'exotherme' Chemie: langsamer Stofftransport, Thermodynamik bestimmend
Reinigung	Flüchtigkeit erleichtert Reinigung	unlöslich, nicht unzersetzt verdampfbar, Phasentrennung schwierig
Charakterisierung	MS, NMR, Schwingungsspektren	röntgenographische Phasenanalyse (Probleme bei amorphen Stoffen)
Eigenschaften	Moleküleigenschaften, keine kooperativen Effekte, Struktur-Wirkungs-Beziehung (Biochemie, Medizin)	kooperative Wechselwirkungen, Struktur-Eigenschafts-Beziehung (Materialwissenschaften)

Literatur

A. R. West: Solid State Chemistry and it's Application, 2. Aufl., Wiley, 2014.
R. D. Tilley: Understanding solids: The science of materials, 3. Aufl., Wiley, 2021.
D. R. Askeland, W. Wright: Science and engineering of materials, 7. Aufl., Cengage Learning, 2021.
H.-J. Meyer (in Riedel): Moderne Anorganische Chemie, 5. Aufl., de Gruyter, 2018.
W. Kleber u.a.: Einführung in die Kristallographie, 19. Aufl., Oldenbourg, 2010.
L. Smart, E. Moore: Einführung in die Festkörperchemie, Springer, 1997.
U. Schubert, N. Hüsing: Synthesis of Inorganic Materials, Wiley VCH, 2004.
K. Th. Wilke, J. Bohm: Kristallzüchtung .
K. Byrappa, T. Ohachi: Crystal Growth Technology, Springer, 2002.